CO₂捕集、利用與封存技術是現行最有效的CO₂減排技術之一，是實現我國2060年“碳中和”目標的重要技術支撐。CO₂注入井、監測井等井筒的固井水泥在CO₂腐蝕作用下的耐久性是保障CO₂長期有效封存的關鍵。因此，開發CO₂注入和監測井用水泥抗腐蝕劑，評價井筒水泥抗CO₂腐蝕劑的性能，闡明抗CO₂腐蝕作用機理，可有效提高井筒水泥耐久性，保障CO₂注入井和監測井長期、穩定運行，具有重要的工程價值和研究意義。此外，為進一步提高CO₂利用效率、拓展其利用途徑，可利用超臨界CO₂的獨特性質，進行新型超臨界CO₂改性材料開發，為高附加值、多元化利用CO₂提供新思路。

　　針對上述需求，中國科學院武漢巖土力學研究所CO₂地質封存組研究團隊利用超臨界CO₂對納米黏土材料進行改性處理，利用透射電鏡（TEM）與選區電子衍射（SAED）分析，獲得了改性納米黏土的微觀結構與納米晶體物相；利用高溫高壓反應釜模擬高濃度CO₂腐蝕環境，對添加改性納米黏土材料的井筒水泥石和對照組腐蝕過程進行了研究，并基于微米CT表征手段，提出了CT切片特征分析算法，通過統計分析大孔隙、水泥基質和碳化層的分布概率，得到描述井筒水泥石腐蝕導致的大孔隙、水泥基質和碳化層演變過程的平均化概率分布圖，進而評價改性納米黏土提升井筒水泥石耐CO₂腐蝕的性能。研究結果表明：由于超臨界改性納米黏土材料的加入，井筒水泥石在長期CO₂腐蝕后其大孔隙的擴展和水泥基質的流失被控制；改性納米黏土阻礙了CO₂向水泥石內部的侵入，并對溶解區域具有一定的修復作用，使得井筒水泥石耐久性得以提高。

　　研究成果已發表于水泥和混凝土材料研究頂級期刊Construction and Building Materials（一區TOP，最新影響因子6.141），第一作者為梅開元博士后，通訊作者為張力為研究員。研究成果主要由國家重點研發計劃（2019YFE0100100）、國家自然科學基金（41902258）、內蒙古自治區科技重大專項（2021ZD0034）、湖北省博士后創新研究崗位（258560）、四川省科技項目（2021YFSY0056）資助。

　　論文題目：Structural evolution in micro-calcite bearing Ca-montmorillonite reinforced oilwell cement during CO₂ invasion

　　論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061821034784　

圖1 抗CO₂腐蝕納米黏土材料微觀形貌與晶體結構圖

圖2 基于CT掃描的井筒水泥CO₂腐蝕過程分析框架圖

圖3 井筒水泥對照組（MT）和改性組（MC）CO₂腐蝕后大孔隙、水泥基質、碳化層分布圖

圖4 抗CO₂腐蝕納米黏土材料作用機理圖

（文/圖 CO₂地質封存組）